公路边坡预应力锚索（杆）试验孔试验分析

廖双贵 摘要 公路边坡预应力锚索（杆）试验孔试验（抗拔拉破坏试验或验证性试验），是验证设计采用的工程锚索（杆）的性能、施工工艺、设计设计合理性、安全储备、锚索（杆）的抗拔拉承载能力、荷载变形、松驰和蠕变，以及施工过程中抗物理破坏的能力。本文通过试验孔的施工实践，介绍预应力锚索（杆）试验孔试验的情况以及结果分析，希望能给同类型项目提供借鉴。

关键词 公路边坡 防护加固有 预应力锚索（杆） 试验分析

1 前言
省道 309 线永定城东过境路段地形起伏变化大，山坡坡度一般 15--250 ， 局部达 400 以上， 路线横切整个山脊，路基挖深达 30 多 m ，边坡坡长达 60m ，其地质情况是：上部覆盖薄层坡积含碎石亚粘土，下层为碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩夹层，下伏弱风化石英砂岩、砂砾岩，层间夹不均匀风化层。为降低开挖高度，减少山体破坏，对穿山路段高边坡进行加固防护。路线 B 标 K6+390---K6+480 设计为六级加固，第一级采用石砌护面墙，第二至六级采用预应力锚索（杆）框架式地梁。

2 预应力锚索（杆）框架式地梁的设计方案
（1 ） 框架式地梁采用 C30 砼，横梁宽度 40cm ，纵梁宽度 60cm ，间距设计如下：

边坡率	横梁间距（m）	备 注
i=0.75	L=7.50	i--- 为加固边坡坡率 L--- 为横梁之间的间距
i=1.00	L=8.40
i=1.25	L=9.60

纵向地梁每隔 3m 布设一根；横向地梁间距根据加固边坡的坡率不同分别如下（ 01 表）：
不同坡率条件下横梁之间的间距表（ 01 表）
（2 ） 地梁间采用人字型衬砌拱植草防护。
（3 ） 在每个横梁与纵梁的交叉点布设一个锚索（杆）孔，在纵梁的中点（ L/2 ）处加设一个锚索（杆）孔。
（4 ） 预应力锚索采用 4 ф j15.24 高强度低松弛钢绞线，钢绞线标准强度不小于 1860KPa ，采用无粘结钢绞线，锚固段长均为 8m ，设计拉力均为 700KN ；锚杆采用Ⅱ级φ 32mm 精轧螺纹钢筋，锚固段长均为 6m ，设计拉力均为 250KN 。
3 设置试验孔的目的
在工程锚索（杆）施工前必须先设置试验孔进行试验，其目的是：
（1 ） 确定该边坡地层中锚索（杆）的极限承载力和安全系数；
（2 ） 揭示在该地层条件下影响锚索（杆）锚固力的各种影响因素及其影响程度；
（3 ） 发现锚索（杆）设计、施工中的缺陷，以便正式使用锚索（杆）前调整结构参数或改进制作、施工工艺；
（4 ） 检验锚索（杆）在超过设计拉力与接近极限拉力的工作性能和安全程度；
（5 ） 校核设计参数，为高边坡锚固工程的动态设计提供有关参数，确保锚固工程的安全、经济、合理。
4 试验孔的设置方案
按照设计要求经业主、监理和设计代表根据孔位的普遍情况，在现场选择有代表性的点位布设 3 个锚索试验孔和 3 个锚杆试验孔。
本次试验在第五级边坡设定 3 个锚索试验孔，编号按路线前进方向依次为“试验 ---1 、试验 ---2 、试验 ---3 孔”，其中锚索试验 ---1 号孔设计锚孔深度 16m ，锚固段长 4m ；试验 ---2 号孔及试验 ---3 号孔设计锚孔深度 18m ，锚固段长分别为 6m 和 8m ；在第四级边坡设定 3 个锚杆试验孔，编号也按路线前进方向依次为“试验 ---4 、试验 ---5 、试验 ---6 孔”，试验孔深均为 20m ，锚固段长度分别为 4m 、 6m 和 8m 。
5 验证性试验过程
（1 ） 首先在指定的试验孔位设置，进行平台搭设、钻机就位、接通风管、电路，然后采用干钻法进行钻孔，并详细记录孔位的地质资料。钻孔到设计深度后应反复回钻 3—5 次，确保孔底无残渣。
（2 ） 锚索采用无粘结钢绞线（ 1860MPa ）、锚杆采用Ⅱ级φ 32mm 精轧螺纹钢按设计要求制作，自由段与锚固段间采用止浆袋隔离，要求止浆袋密封效果良好，确保自由段不渗浆。
（3 ） 对下完锚索（杆）的钻孔注浆，注浆完成后及时制作张拉试验锚墩。
（4 ） 试验张拉设备采用 YCW250B 型千斤顶、油压表、 ZB4-500 型油泵、高压油管以及相关变形量测系统和固定设施，上述设备应由有资质的建筑工程质量监督检测站标定。张拉前按标定曲线计算出与张拉加荷荷载对应的油表读数。
（5 ） 循环张拉：
① 预张拉：将锚索（杆）张拉至预张拉荷载 15%A*fpuk ，然后松开；
② 差异荷载补偿张拉：根据设计荷载和锚索长度计算确定差异荷载，并根据计算的差异荷载进行分单元张拉。
③ 按照循环加、卸荷载法张拉，直至锚固体破坏。
（6 ） 读数记录。
进行试验时的最大试验荷载是采用锚杆杆体承载力标准值的 0.9 倍，试验是采用循环加、卸荷载法张拉，循环加、卸荷载等级与位移观测间隔时间详见 (02 表 ) ：

第一循环	10(20%)						10(20%)
第二循环	10(20%)	20%	30%	40%	30%	20%	10(20%)
第三循环	10(20%)	30%	40%	50%	40%	30%	10(20%)
第四循环	10(20%)	30%	50%	60%	50%	30%	10(20%)
第五循环	10(20%)	30%	50%	70%	50%	30%	10(20%)
第六循环	10(20%)	30%	60%	80%	60%	30%	10(20%)
第七循环	10(20%)	30%	70%	90%	70%	30%	10(20%)
第八循环	10(20%)	30%	80%	100%	80%	30%	10(20%)
观测时间min	5	5	5	10	5	5	5

每次加荷后至少观测 5min ，在观测时间内测读锚头位移不少于 3 次，当锚头位移量不大于 0.1mm 时，可施加下一级荷载，否则需延长观测时间，直至锚头位移增量 2 小时小于 1.0mm 时方可施加下一级荷载，否则需延长观测时间，直至锚头位移增量 2 小时小于 2.0mm 时，再施加下一级荷载，同时分别记录每级荷载对应锚杆的伸长量，绘制荷载——位移（ Q—S ）曲线（见图 1 、图 2 ）。



荷载——弹性位移（Q—Se）曲线、荷载——塑性位移（Q---Sp）曲线（见图三、图四）（根据实际情况，可能只可绘制其中一种或几种）。

（7）在试验过程中如果出现以下其中一情况均视为锚固体已破坏：
①后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生位移增量的2倍；
②锚头位移不收敛；
③钢筋被拉断；
④锚头总位移超过设计允许的位移值。
（8）试验情况简述。
试验一
1孔（锚索）：该孔在钻孔过程中，0----16.0m基本上为破碎岩质边坡，上部为碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩夹层，下伏弱风化石英砂岩、砂砾岩，岩体非常破碎。试验张拉至1340KN时，钢绞线断裂。
试验二
2孔（锚索）：该孔在钻孔过程中，0----18.0m基本上为破碎岩质边坡，上部为碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩夹层，下伏弱风化石英砂岩、砂砾岩，层间夹不均匀风化层，岩体较破碎。试验张拉至1260KN时，钢绞线断裂。
试验三
3孔（锚索）该孔在钻孔过程中，0----18.0m基本上为破碎岩质边坡，上部为碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩夹层，下伏弱风化石英砂岩、砂砾岩，层间夹不均匀风化层，岩体破碎。试验张拉至1240KN时，钢绞线断裂。
试验四
4孔（锚杆）该孔在钻孔过程中，0----20.0m基本上为破碎岩质边坡，上部为碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩夹层，下伏弱风化石英砂岩、砂砾岩，层间夹不均匀风化层，岩体非常破碎。试验时张拉至548KN时，螺纹钢被拉出。
试验五
5孔（锚杆）该孔在钻孔过程中，0----20.0m基本上为破碎岩质边坡，上部为碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩夹层，下伏弱风化石英砂岩、砂砾岩，层间夹不均匀风化层，岩体较破碎。试验时张拉至568KN时，螺纹钢断裂。
试验六
6孔（锚杆）该孔在钻孔过程中，0----20.0m基本上为破碎岩质边坡，上部为碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩夹层，下伏弱风化石英砂岩、砂砾岩，层间夹不均匀风化层，岩体破碎。试验时张拉至572KN时，螺纹钢断裂。
从锚孔钻造施工过程中看，该段地质为破碎岩层，强风化石英砂岩及砂砾岩，岩体较为破碎，宜作为锚固地层。

6试验结果分析
（1）本次试验的各项技术指标及规程是以中国工程建设标准化协会标准《土层锚杆设计与施工规范》（CECS22：90）和《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086—2001）、《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2002）为依据。
（2）粘结强度计算：与抗拔试验所取得的各试验孔的破坏荷载的95%为极限荷载，按以下公式计算锚固体与岩土体之间的粘结强度值Γ：
Γ=Ru/πDLo试
Ru=P*95%
Γ：锚固体与岩土体之间的粘结强度；
D：锚孔直径，本次试验孔径为130mm；
Lo试：试验孔锚固段长度；
Ru：极限荷载，取试验孔破坏荷载的95%；
P：试验孔破坏荷载，由抗拔试验取得，相应部位工程孔锚固体安全系数Ko值，由下式确定：
Ko=πDLoΓ/Nt
Lo：工程孔锚固段长度，按10m计算；
Nt：锚索（杆）设计荷载；
（3）根据试验结果整理如下（03表）：

试验结果计算统计表（ 03 表）

	试验孔编号	级数	锚孔长度 m	锚固段长度 m	锚孔孔径 mm	破坏情况	破坏荷载 KN	粘结强度 KN	设计荷载 KN	相应工程孔安全 Ko	备注
锚索	试 验 --1	5	16	4	130	钢绞线断裂	1340	＞ 779	700	＞ 4.50
试 验 --2	5	18	6	130	钢绞线断裂	1260	＞ 488	700	＞ 2.80
试 验 --3	5	18	8	130	钢绞线断裂	1240	＞ 360	700	＞ 2.10
锚杆	试 验 --4	6	20	4	110	螺纹钢拔出	548	=377	300	=4.34
试 验 --5	6	20	6	110	螺纹钢断裂	568	＞ 260	300	＞ 2.99
试 验 --6	6	20	8	110	螺纹钢断裂	572	＞ 196	300	＞ 2.26

从以上试验结果看，试验1、试验2、试验3、试验5、试验6共5个试验孔均因钢绞线（螺纹钢）断裂而未能反映注浆体与孔壁间的真实粘结强度，但其安全系数均大于2.0（根据福建省的地质情况，安全系数一般宜大于2.0），试验4号孔螺纹钢被子拉出反映了注浆体与孔壁间的真实粘结强度，但其安全系数为4.34，超过2.0也是很安全。从钻孔情况看，锚固地层以弱风化石英砂岩、砂砾岩为主，提供的锚固力能满足设计要求。

7结论及建议
（1）本次试验孔锚固地层均进入弱风化石英砂岩、砂砾岩，均满足设计要求。
（2） 通过试验孔揭示出本段边坡的地质情况大概为：碎块状强风化石英砂岩及砂砾岩，为不均匀风化造成。
（3）本边坡地层地质条件基本上能够满足原设计要求，只需工程孔的锚固段进入弱风化石英砂岩、砂砾岩地层。
（4）在进行试验时应先根据试验方案编制好试验指导书，试验过程中用作试验的锚孔参数、材料、机具及施工工艺必须满足设计要求，才能真正起到验证效果。
（5）试验完成后，应及时向业主、监理和设计部门提交基本试验报告，以验证和调整设计。

参考文献
[1]
岩土锚杆（索）技术规程（CECS22：2005）
[2]
土层锚杆设计与施工规范（CECS22：90）
[3]
建筑边坡工程技术规范（GB50330—2002）
[4]
锚杆喷射混凝土支护技术规程（GB50086—2001）